JPS63140939A - 表面特性測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技１４ｊ分！旺） この発明は、固体表面や薄膜の力学特性のＩｌ！ＩＩ定
装置に関するものである。さらに詳しくは、この発明は
、金属、セラミックス、プラス−１〜ツクなどの固体表
面、または、真空蒸着、イオンブレーティング等の方法
によって製造した薄膜の摩擦係数、硬度、耐摩耗性、付
着力などを微小寸法内で簡便に、［１，適確にａｌｌ定
することのできる表面特性測定装置に関するものである
。

（背景技術） 従来、真空蒸着法、スパッタ法、イオンブレーティング
法等によって製造した金属、無機物などの薄膜について
、膜と基板との付着力をはじめとして、その付着力の指
標ともいえる摩擦係数、成度、表面粗さなどの特性を適
確に測定することができる簡便な方法とその装置はなか
った。また、薄膜以外の固体表面でも同様であった。

薄膜の付着力Ｍ１定のひとつの方法として引き例し法が
知られてはいる。この方法は実験および解折が比較的容
易であることを利点としているが、膜と引き１５１１　
Ｌ棒とを接合する接着剤の強度以りの付着力を持つ膜／
基板系に適用できないという欠点がある。エポキシ樹脂
系接着剤は引き倒し法に最適のものであるが、接着剤自
体の強度は１，２〜１．５ｘｌ　０８Ｎ／イ（凝縮エネ
ルギーにしてＩＫｃａｌ、／ｍｏ１以下）であり、通常
丈夫といわれているような１模／基板系はこれ以上の付
着強度を持−）でいる。

また、強付着力の薄１１々試料の測定法には圧痕法（Ｉ
　ｎ　ｄ　ｃ　ｒｒしａ　ｔ　ｉ　ｏ　ｎ　　ｍ　ｅ　
Ｌｈ　ｏ　ｄ　）や引掻き法（Ｓ　ｃ　ｒ　ａ　ｔ　ｃ
　ｈ　　Ｍ　ｃ　ｔ　ｈ　ｏ　ｄ　）が知られている。

この方法は剛球体や剛針を膜表面に押し付けたり、押し
付けながら引張ることにより膜／基板表面のせん弾力に
よる破壊を観察するものである。しかしながら、圧痕法
の場合には、解析−Ｌ多くの問題があり、また、引掻き
法では大きな試本゛）長が要求され、微小領域での薄膜
の力学特性の適確な評価には適さない。

このため、従来の方法に代わって、簡便でありながら、
総合的、かつ適確なン璋１摸特性、さらには固体表面特
性のＭ１定を行うための新しい方法とそのための装置の
実現が強く望まれていた。

（発明の目的） この発明は、以１′、にとおりの事情を鑑みてなされた
ものであり、従来方法のような欠点のない、簡便に、か
つ適確に薄膜、さらには固体表面の各社力学的特性を測
定評価することのできる方法、特にそのための装置を提
供することを［１的としている。

（発明の開示） この発明の表面特性のＭ１定装置は、上記の１］１的を
実現するために、発振器と、該発振器により加振される
接触針と、Ｘ−Ｙ−Ｚ軸黴動装置とからなり、低周波で
加振された接触針が表面に接し、摩擦力に対応する振動
出力を検出し、該検出出力の大きさおよび波形とその変
化によって力学特性を測定することを特徴としている。

添付した図面に沿って詳しくこの発明の装置について説
明する。

第１１ス１は、この発明の装置の一例を模式的に示した
ものである。この例の装置においては、箱型の加振装置
（１）に接触針（２）が弾性体（１１）を介して接続さ
れている。接触針（２）は測定時には、Ｘ・）′軸黴動
装置を組み込んだ試料台（３）上に固定された試料（４
）の表面に接している。

加振装置（１）は、Ｚ軸微動装置（５）と、二つの発振
器（６）および各々の発振器に接続するスピーカー（７
）と、このスピーカー（７）の前面に接続した振動伝達
板（８）とによって構成している。

接触針（２）のカートリンジからは、出力振動信すが検
出され、増幅器（９）を介してオシロスコープ（１０）
によって観察することができるようにしている。

この装置においては、２０〜２００Ｈｚ程度にまで加振
することができるようにしている。また、接触針（２）
に加える荷重（Ｗ＞は、支持する弾性体（１１）で調整
されて１ｋｇ程度まで可能であるようにする。接触夕１
の曲率半径が１５μＩｒＬ程度であれば１００ン前後の
荷重で膜表面の破壊を１−分に測定することができる。

弾性体のバネ定数と接触５１の曲率１′−径は、測定の
対象とする薄膜あるいは表面の種類と膜Ｊブ等に応じて
適宜にｉＨ択する。

またその材質も適宜に選ぶことができる。一般的には、
接触３１にはダイヤモンドを用いる。

このような装置を用いて固体表面やへ９膜の特性を評価
する場合、接触針の横（１長幅は、１０μＩｎ以十にで
きるので、略静止状態での小振動になる。

このため、ＩＣの電極１本捏度の手法の薄膜についても
その特性を測定することができる。接触針を試料１．で
操作すれば、力学的特性の微視的な２次元像を得ること
ができる。これらのＭ１定は、従来の方法では不可能で
あった。

さらに、表面状態を観察する題ｌａ鏡等と組み合わせる
ことにより、薄膜の特性、性状の評価をより総合的に行
うことができるようになる。

この装置を用いて付着力を測定した場合の例を示すと、
たとえば次の通りとなる。

（１）先端曲率ｒ−径１２，５〜１００μＩｎのダイＡ
・モンド接触５１に、発振器からスピーカーを通して水
平横振動（３０Ｈｚ）を与え、駆動回路によりＸ−Ｙ軸
微動装置のＹＩＦｌｌｌを移動させて、試料を動かした
（移動速度は０．１５關／分、１ステップＱ、Ｏ１５＋
ｍ＋）。荷重を０から徐々に加えた。

接触夕１カートリッジからの出力波形はオシロスコープ
およびレコーダーにより観測記録した。接触針が表面に
接触しない間は信号は現われない。荷重増大に伴い信号
出力は増大し、膜の剥！（破壊）により高周波２１ｉ″
ｒ″Ｊ波形が発生する。

対象とした薄膜は、Ａｇの真空蒸着膜とした。

膜厚は約１００ＯＡであった。又、カーボン膜について
も測定を行った。Ｒ，Ｆ、プラズマＣＶＤによって製造
した約１０００Ａ（７）Ｉ摸ｊゾのカーボン膜とした。

ガラス基板状のＡｇ薄１模およびカーボン薄膜について
出力電圧（ｄＢ）と荷重との関係を示すと、第２図およ
び第３図のようになる。

この第２図（Ａｇ／ガラス）、および第３図（カーボン
／ガラス）の矢印は、この位置で薄１漠が破壊されたこ
とを示している。

この点から剥誦荷ｔ（ｒを求め、ベンジャミン・ライ−
バー（Ｂ　ｅ　ｎ　ｊ　ａ　ｍ　ｉ　ｎ　　＆　　Ｗ　
Ｃ２ａ　ｖ　Ｃ１−）の導いた公式により付着力を求め
ることができる。

（ｆｓ：付着力、Ｗ：開隔荷重、 ｌ−二針の先の曲率半径、 Ｐ：基板のブリネル硬度） （２）同様にして、Ａｕ、Ｃｕ、Ａ！Ｊの真空蒸着膜（
１摸Ｊブ、約１０００　Ａ　）　、　ｉ’　ｉ　ＮのＲ
，Ｆ。

スパッタ薄膜（１７５０Ａ＞　、ＭｇＯのＥ−ガン合服
（１００ＯＡ）についたち付着力を求めた。

その結果を−り記のＡｇ、カーボン膜とともに示したも
のが第４図である。

この発明の装置は、もちろん第１図に示した例のものに
限られるものではない。発振器と接触７ｊ１との間に支
点を設けるような方式としてもよい。

Ｚ　’Ｆｌｌｌ微動機栖微動機台の方に謹直してもよい
。また、ａＪＩＩ定対象にはこの例のように薄膜に限ら
れずに、あらゆる固体表面が８−よれることはいうまで
もない。力学的、摩擦工学的特性について多くの知ｊと
を得ることができる。

この発明の装置は、以上のとおり、簡便に、かつ適確に
表面の物性をＭ１定するのに極めて有用なものである。

・１１図面の簡？ｒ、な説明 第１図は、この発明の装置の一例を示した模式第２図お
よび第３図は、薄膜の物性について、出力電圧と荷重と
の関係を示した測定図である。

第４図は、付着力について示した測定図である。

図中の番号は次のものを示している。

１・・・加振装置、　　　２・・・接触針、３・・・試
料台、　　　　４・・・試料、５・・・ＺｖｌＩｌ微動
装置、　６・・・発振器、７・・・スピーカー、　　８
・・・振動伝達板、９・・・増幅器、　　　１０・・・
オシロスコープ、１１・・・弾性体。

代理人　弁理士　　西　　澤　　利　　夫第２図 第３図 １０　２０３０４０　５０　６０　　Ｃｇ）第　　４　
　図 荷　　　重（Ｇ）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）発振器と、該発振器により加振される接触針と、
   Ｘ・Ｙ・Ｚ軸微動装置とからなり、低周波で加振された
   接触針が表面に接し、摩擦力に対応する振動出力を検出
   し、該検出出力の大きさおよび波形とその変化によって
   表面の力学特性を測定することを特徴とする表面特性測
   定装置。
2. （２）発振器が、弾性体の先端につけられた接触針に、
   試料表面に平行な横振動を与えるようにした特許請求の
   範囲第（１）項記載の表面特性測定装置。
3. （３）Ｚ軸微動装置に基部を固定した発振器と該発振器
   に接続するスピーカー前面に設けた振動伝達板と、該振
   動伝達板に弾性材料を介して接続した接触針とからなる
   特許請求の範囲第（１）項または第（２）項記載の表面
   特性測定装置。